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(固態的水)

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冰是由水分子有序排列形成的結晶,水分子間靠氫鍵連接在一起形成非常“開闊”(低密度)的剛性結構。最鄰近水分子的O—O 核間距為0.276nm,O—O—O鍵角約為109°,十分接近理想四面體的鍵角109°28′。但僅是相鄰而不直接結合的各水分子的O一O間距要大的多,最遠的要達0.347nm。每個水分子都能結合另外4個水分子,形成四面體結構,所以水分子的配位數為4。 [1] 
中文名
外文名
ice
化學式
H2O(s)
分子量
18.01524
CAS登錄號
7732-18-5
EINECS登錄號
231-791-2
熔    點
0 ℃
沸    點
100 ℃
水溶性
水對各種物質都具有親和性
密    度
0.92 g/cm³
外    觀
無色無味固體
安全性描述
S26
危險性符號
Xn
危險性描述
R36/38
UN危險貨物編號
1824

晶體結構

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冰是無色透明的固體,由液體固化形成的產物,經過冷凍環境凝結而成,受到高温就會液化溶解,屬於一種正常的自然現象,可自然形成,也可人為製造。
分子之間主要靠氫鍵作用,不過也存在範德華力,晶格結構一般為六方體,其密度比水小。但因在不同壓力下也可以有其他晶格結構。

熔點

在常壓環境下,冰的熔點為0℃。0℃水凍結成冰時,體積會增大約1/11(水體積最小時為4℃)。
冰的熔點與壓強存在着一種關係:在2200大氣壓以下,冰的熔點隨壓力的增大而降低,但非常不明顯,大約每升高130個大氣壓降低1攝氏度;超過2200大氣壓後,冰的熔點隨壓力增加而升高:3530大氣壓下冰的熔點為-17℃,6380大氣壓下為 0℃,16500大氣壓下為 60℃,而20670大氣壓下冰在76℃時才熔化,稱為名副其實的“熱冰”。冰在0℃下密度為0.92g/cm3,而水的密度正常為1.00g/cm3,所以冰能浮於水上。除了水(H2O)以外,金剛石(C)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、鎵(Ga)、鍺(Ge)、二氧化硅(SiO2,水晶)、銻(Sb)、鉍(Bi)等能形成類似四面體結構的晶體也具有固體密度比液體小的性質。

熔化

冰是水在自然界中的固體形態,在常壓環境下,温度高於零攝氏度時,冰就會開始熔化,變為液態水。日本一個研究小組發現,冰開始熔化的時候,是以結晶內的一個水分子開始脱離結晶為契機,相關機制有助於弄清含水的蛋白質出現結構變化的機制。
如果用電燈等的強光照射,冰的內部就會熔化,浮現出稱為“冰花”的類似雪結晶的形狀。來自日本分子科學研究所和岡山大學的研究人員為了調查冰從內部開始熔化的現象,利用計算機演算了由約1000個水分子形成的冰被加熱時將發生什麼變化。
冰的結晶是水分子呈六角形規則排列的結構。加熱之後,首先是一個水分子從結晶脱離,開始自由運動,而這個水分子並不會回到原來的位置,從而導致結晶出現歪曲。而結晶一旦出現歪曲,就會逐漸擴大,最終整個結晶分解,變為液體形態。

特性與功效

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特性

水在4℃以上是符合熱脹冷縮的。水在低於4℃時熱縮冷脹,導致密度下降,而大於4℃時,則恢復熱脹冷縮。這是水最重要也是有價值的特性之一。
這是保障生物存在的很重要的一點,當水結冰的時候,冰的密度小,能浮在水面,可以保障水下生物的生存。當天暖的時候,冰在上面,也是最先解凍。但如果冰的密度比水大,冰會不斷沉到水下,天暖的時候也不會解凍,來年上面的水繼續冰凍,直到所有的水都成了冰,那所有的水生生物都不會存在了。

功效

古書記載
冰 (《本草拾遺》)
【異名】凌(《綱目》)。
【來源】為水凝成的無色透明的固體。
【性味】《本草拾遺》:味甘,大寒,無毒。
【功用主治-冰的功效】退熱消暑,解渴除煩。
治傷寒陽毒,熱甚昏迷,中暑煩渴。
①《本草拾遺》:主去熱煩。
②《日用本草》:解煩渴,消暑毒。
③《綱目》:傷寒陽毒、熱甚昏迷者,以冰一塊置於膻中,良。
亦解燒酒毒。
【用法與用量】內服:含化。外用:罨敷。

相關知識

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特殊的冰

熱冰:除了前面提到高壓下形成的熱冰之外,重水(D₂O)在3.8℃時結冰,成為另一種形式的“熱冰”。
水有一種性質。它在4℃時密度最大。温度在4℃以上,液態水遵守一般熱脹冷縮規律。4℃以下,原來水中呈線形分佈的縮合分子中,出現一種像冰晶結構一樣的似冰結合分子,叫做"準冰晶體"。因為冰的密度比水小,“準冰晶體”的存在,減小了水的密度,這就是為什麼水在4℃時密度最大,低於4℃密度又要減小的原因。
人類已經能夠在實驗室裏製造出八種冰的晶體。但只有天然冰能在自然條件下存在,其他都是高壓冰,在自然界不能穩定存在。
天然冰中水分子的結合是按六方晶系的規則排列起來的。所謂結晶格子,最簡單的例子是緊密地堆砌的磚塊,如果在這些磚塊的中心處代之以一個假設的原子,便得到了一個結晶格子。冰的晶格為一個帶頂錐的三稜柱體,六個角上的氧原子分別為相鄰六個晶胞所共有。三個稜上氧原子各為三個相鄰晶胞所共有,二個軸頂氧原子各為二個晶胞所共有,只有中央一個氧原子算是該晶胞所獨有。

冰與水

由於水分子間有氫鍵結合這樣的結構所決定的四面體結構。根據近代X射線的研究,證明了冰具有四面體的晶體結構。這個四面體是通過氫鍵形成的,是一個敞開式的開闊結構,因為五個水分子不能把全部四面體的體積佔完,在冰中氫鍵把這些四面體聯繫起來,成為一個整體。這種通過氫鍵形成的定向有序排列,空間利用率較小,約佔34%,因此冰的密度較小,約為攝氏4度時液態水的92%。
除了((H2O)以外,金剛石(C)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、鎵(Ga)、鍺(Ge)、二氧化硅(SiO2,水晶)、銻(Sb)、鉍(Bi)等能形成類似四面體結構的晶體也具有固體密度比液體小的性質。
冰融化時拆散了大量的氫鍵,使整體化為四面體集團和零星的較小的“水分子組”(即由氫鍵結合形成的一些締合分子),故液態水已經不像冰那樣完全是有序排列了,而是有一定程度的無序排列,即水分子間的距離不象冰中那樣固定,H2O分子可以由一個四面體的微晶進入另一微晶中去。這樣分子間的空隙減少,密度相對冰就增大了。
温度升高時,水分子的四面體集團不斷被破壞,分子無序排列增多,使密度增大。但同時,分子間的熱運動也增加了分子間的距離,使密度又減小。這兩個矛盾的因素在4℃時達到平衡,因此,在4℃時水的密度最大。過了4℃後,分子的熱運動使分子間的距離增大的因素,就佔優勢了,水的密度又開始減小。

河冰

結冰 結冰
黃河流域是中華民族的搖籃,孕育了華夏五千年的文明。但是黃河帶給我們中華民族的不全是好處,黃河洪水和冰害經常掠去兩岸人民的財產和生命。
遠在公元前四百多年,對於黃河的冰情,已有詳細的記載:“孟冬之月,水始冰,地始凍。仲冬之月,冰益堅,地始坼。季冬之月,凍方盛,水澤腹堅,命取冰,冰以入。孟春之月,東風解凍,蟄蟲始振,魚上冰。”這是世界上最早的有關結冰、封凍和解凍的冰情文字記錄。
陸地冰
全球陸地表面上的冰的體積,總共有26,660,000立方千米,相當於24,000,000立方千米的水。其中絕大部分的冰都集中在南極地帶——23,820,000立方千米。假使這些冰化成水,相當於全世界的河流的650年的流量,它們足以使全世界的海洋的水位升高66.3米。
參考資料
  • 1.    陳敏.食品化學:中國林業出版社,2008年